“Método para llevar a cabo una unión de trabado (Shear Key) entre elementos prefabricados para la construcción de una torre de turbina eólica de concreto o similar “

M E M O RI A D ES C RI P TIVA

La presente solicitud de patente de invención se dirige a un método para llevar a cabo una unión de trabado (Shear Key) entre los elementos prefabricados para la construcción de una torre eólica (e.g. sistema de torre avanzado (ATS)). Específicamente, se dirige a un método que proporciona uniones de trabado por medio de una lechada que separa del hormigón prefabricado, logrando que se forme una grieta suave con la forma de una unión de trabado predefinida. Cuando la pared está en tensión y la grieta suave se abre unos pocos milímetros, es donde la unión de trabado proporcionará una transferencia de corte sin efectos negativos de estrés de tensión en la pared.

ARTE PREVIO

Las uniones de trabado o shear keys son ampliamente utilizadas para la unión de un elemento prefabricado en hormigón con la fundación y muros en donde se instalará el elemento. En construcción estas uniones de trabado también se conocen como zarpas o uniones dentadas. Estas uniones de trabado se utilizan para resistir fuerzas horizontales y verticales en la estructura, causadas por

2 efectos de carga tales como la tierra y las presiones del agua, los terremotos y el viento.

En respuesta a la necesidad de desarrollar grandes torres eólicas, las torres de hormigón prefabricado están siendo promovidas para superar el alto costo y las limitaciones del acero tradicional como medio de construcción de las torres. El método de construcción por segmentos prefabricados requiere la presencia de juntas por segmentos para transferir las cargas entre segmentos vecinos, lo que estresa la importancia de garantizar la seguridad estructural y la facilidad de servicio. De esta forma, se ha llevado a cabo investigación dedicada al comportamiento de las juntas por segmentos. Se ha estudiado el comportamiento de corte de las juntas en muestras segmentadas prefabricadas con uniones de trabado (shear keys) considerando diferentes tipos de juntas y niveles de fuerza lateral para desarrollar torres de viento con hormigón prefabricado de alta resistencia. Es así como existen análisis para examinar la relación carga-desplazamiento según el tipo de uniones de trabado (shear keys) y en caso de falla, los modos que adoptan las uniones de trabado de acuerdo con el patrón de grietas en caso de falla.

En los últimos años, las cargas en las torres aumentan debido a turbinas más fuertes y rotores más grandes. El aumento de los diámetros del rotor tiene dos efectos:

• cargas torsionales más altas en las torres en los procedimientos de ruptura;

3 • Disminución del diámetro permitido de la torre a un nivel bajo en la torre, porque una gran pala del rotor llega más abajo y se desvía más hacia la torre. En un diseño conceptual reciente para torres ATS y torres de concreto segmentadas similares, las combinaciones extremas de flexión simultánea, cizallamiento y torsión no se podían resolver con las juntas horizontales convencionales. Especialmente la alta torsión en una junta de apertura (unión agrietada) fue problemática. La solución alternativa con cargas de corte perpendiculares a las paredes de la torre en la zona comprimida creó momentos de flexión extremadamente altos en estas paredes. La literatura (Betonkalender "Estructuras de hormigón para aerogeneradores" 2013) señala el uso de uniones de trabado (shear keys) en las cubiertas de puentes segmentados en esos casos. Las uniones de trabado podrían transferir fuerzas de corte y torsión a través de una junta horizontal, incluso cuando se está separando un poco. Eso daría como resultado una transferencia de corte y torsión a través de toda la junta, no solo la parte comprimida. Sin embargo, debido a las tolerancias en grandes secciones prefabricadas, las torres ATS entre otros tipos de torres de concreto segmentadas usan juntas agrupadas. Estas juntas tienen la forma de las uniones de trabado dentadas normativas. Si la junta se agrietara en una caja de carga con tensión vertical en la pared, lógicamente se agrietaría como se ¡lustra en la figura 5.

Los estudios sobre juntas agrupadas de la misma forma (ref .: Informe del instituto de transporte de Pensilvania, FHWA-PA-2010-014-PSU 014) muestran

4 la aparición de grietas rectas, incluso si las juntas están hechas solo para transferencia por corte. Las grietas rectas ya no transfieren cortante y torsión cuando se abren más que el tamaño de grano del agregado de concreto. Aunque las juntas horizontales tienen forma de uniones de trabado (shear keys), no funcionan como tales. Toda transferencia de cizallamiento y torsión se concentra en la parte comprimida de la pared de la torre. Aunque las juntas horizontales tienen forma de uniones de trabado, no funcionan como tales. Toda transferencia de cizallamiento y torsión se concentra en la parte comprimida de la pared de la torre.

Existen diferentes tipos de soluciones para llevar a cabo la unión de trabado en torres prefabricadas de hormigón. Por ejemplo, la publicación WO2019026056 A1 describe las configuraciones de uniones de trabado (shear Key) de las caras de unión vertical enfrentadas, los accesorios de mortero o de hormigón colado in situ que actúan por medio de conectares estructurales para la transmisión de tensiones estructurales durante la vida útil de la estructura.

Las configuraciones de la unión de trabado son configuraciones de lengüeta y ranura, configuraciones de levas y cavidades u otras comúnmente utilizadas en elementos estructurales.

La figura 1 (Arte Previo) muestra cómo las caras de unión transversal 13 pueden incluir una configuración de unión de trabado que aumenta la capacidad de transmisión de esfuerzos de corte y flexión entre las secciones anulares

5 superpuestas. De manera similar, la figura 2 muestra la incorporación de biconos por medio de posicionadores de montaje 40 que permiten centrar la posición de las piezas de pared 10 cuando están superpuestas, en donde las caras de unión vertical de dos piezas de pared adyacentes (10) de una misma sección anular están dispuestas una frente a la otra y carecen de tomillos estructurales, pernos estructurales , postensado local, postensado anular alrededor de una sección anular, configuraciones de uniones de trabado de las caras de unión verticales enfrentadas o accesorios de hormigón colado in situ que actúan como conectares estructurales para la transmisión de tensiones estructurales durante la vida útil de servicio la estructura. La diferencia que presenta esta publicación respecto de la presente invención radica en que en la publicación no proporciona que las uniones de trabado agrupadas sean separadas del concreto adyacente por un agente de liberación o un material delgado que se dispone en la unión en un lado de la unión de trabado. En la publicación se utiliza elementos segmentados de hormigón prefabricado. Al contrario, el uso de hormigón en la publicación permite tolerancias muy pequeñas.

La publicación US8307593 (B2), como se ¡lustra en la figura 3 (Arte Previo), describe una sección de adaptador (270) que puede usarse para unir una sección superior (112) a la sección de hormigón inferior (214). La sección de adaptador (270) puede comprender un miembro prefabricado en forma de losa, anillo o cilindro. La sección (270) del adaptador también puede tener cualquier forma adecuada como se desee en la aplicación específica. La sección (270) del adaptador está configurada para alinear sustancialmente las fuerzas de carga

6 de la torre de manera que se reducen las fuerzas de tracción y corte. La diferencia que presenta esta publicación respecto a la presente invención está dada en que no se utiliza un método para configurar la unión de trabado mediante el relleno con una lechada entre las caras de las uniones de trabado.

La publicación WO2018193281 define que las geometrías respectivas de la cara superior del primer segmento y de la cara inferior del segundo segmento definen al menos una unión de trabado (shear key) cuando cooperan entre sí. Según se aprecia en la figura 4 (Arte Previo), la unión de trabado está definida por una mortaja y una espiga, respectivamente, definidas dentro de un elemento entre la cara superior del primer segmento y la cara inferior del segundo segmento. Específicamente, las geometrías respectivas de la cara superior (UFi-1 ) del primer segmento (Si-1 ) y de la cara inferior (LFi) del segundo segmento (Si) definen al menos una unión de trabado (K) al cooperar con unos y otros. La diferencia respecto de la invención radica que la unión de trabado se lleva a cabo con una mortaja y una espiga y no por medio una unión de trabado que es rellenada con una lechada logrando que la unión adopte la forma de cada unión de trabado y así aumentar la resistencia al esfuerzo.

El registro de patente CL55121 describe una torre escalonada de hormigón prefabricado vertical adaptada para soportar una turbina eólica, que comprende un miembro de base de cimentación colocado para soportar la torre, una primera pluralidad de segmentos de torre inferiores anulares o cilindricos de hormigón prefabricado sustancialmente idénticos y segmentos de torre inferiores

7 cilindricos que tienen el mismo diámetro y se soportan por el miembro de base y se disponen para formar una primera pila vertical de segmentos de torre inferiores sucesivos, un primer segmento de transición anular o circular, una segunda pluralidad de segmentos de torre intermedios anulares y cilindricos de hormigón, una tercera pluralidad de segmentos de torre superiores anulares y cilindricos de hormigón prefabricado sustancialmente idénticos y con los segmentos de torre superiores cilindricos que tienen un diámetro más pequeño que el diámetro de los segmentos de torre intermedios, con los segmentos de torre superiores estando dispuestos para formar una tercera pila vertical de segmentos de torre superiores sucesivos en la parte superior del segundo segmento de transición de hormigón prefabricado, y una serie de tendones de pos-tensado que se extienden verticalmente colocados dentro de una cámara definida por la primera, segunda y tercera pluralidades de segmentos de torre anularos y que conectan todos los segmentos de torre anulares y los segmentos de transición anulares juntos. La diferencia con la presente invención radica en que nos se describe un método para realizar la unión de trabado utilizando una lechada en la unión propiamente tal.

En resumen, la invención difiere de las otras soluciones por el uso de una lechada que permite grandes elementos prefabricados con tolerancias razonables.

Las otras soluciones mencionadas son juntas secas trituradas, con elementos superpuestos. Esa solución funciona bien, pero solo permite tolerancias muy pequeñas.

8 BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Figura 1 : corresponde a un esquema de unión de trabado (shear key) del arte previo.

Figura 2: corresponde a un esquema de unión de trabado (shear key) del arte previo.

Figura 3: corresponde a un esquema de unión de trabado (shear key) del arte previo.

Figura 4: corresponde a un esquema de unión de trabado (shear key) del arte previo.

Figura 5: corresponde a una vista en corte frontal que ejemplifica si una junta se agrietara en una caja de carga con tensión vertical en una pared.

Figura 6: corresponde a una vista en corte lateral que ejemplifica si una junta se agrietara en una caja de carga con tensión vertical en una pared

Figura 7: corresponde a una vista en corte superior de una sección horizontal a través de las juntas.

Figura 8: corresponde a una vista en corte frontal que ¡lustra el grupo de elementos de trabado en que se ha dispuesto la lechada (5) y el material antiadherente (4).

Figura 9: corresponde a una vista en corte lateral que ¡lustra que se ha dispuesto la lechada (5) y el material antiadherente (4) entre elementos de trabado.

Figura 10: corresponde a un diagrama de flujo de corte de Bredt. DESCRIPCION DE LA INVENCION

La invención consiste en un método para llevar a cabo una unión de trabado (Shear Key) entre segmentos de concreto prefabricados para la construcción de turbina eólica (por ejemplo, pero no limitado a un sistema de torre avanzado (ATS)). Específicamente, el método consiste en disponer uniones de trabado que son rellenadas por una lechada que se dispone en un solo lado de un segmento prefabricado, logrando que se forme una grieta suave con la forma de una unión de trabado predefinida. Cuando la pared está en tensión y la grieta suave se abre, es donde la unión de trabado proporcionará una transferencia de corte y permitirá un esfuerzo de corte y trabado significativamente mayor.

De esta forma, el método comprende disponer de uniones de trabado agrupadas con una forma predefinida. El método también comprende evitar la unión de la lechada a una sección de hormigón prefabricado (de las dos que se unen y que entre ellas se conforma unión de trabado o shear key), por medio de un agente de liberación o un delgada capa de material no adherido, de modo de impedir la adhesión entre segmentos prefabricados de la torre y predifinir la forma que adoptará la grieta real cuando es sometida a esfuerzo, esto es, la forma de una unión de trabado (shear key) por defecto.

El método comprende que la unión entre los segmentos de torre de hormigón prefabricado y la lechada no se adhiere mediante la ejecución de cualquiera de las siguientes etapas:

• aceitar o pintar una de las superficies de la unión de trabado;

10 • disponer una capa delgada de material plástico en una de las superficies de la unión de trabado;

• disponer cualquier otro material que se adhiera a la superficie prefabricada de hormigón, como por ejemplo resinas antiadherentes y no se deforme mucho cuando se carga en corte

El resultado es una serie o conjunto de uniones de trabado (shear keys) en concreto no reforzado y lechada.

El método es adecuado para un total de combinaciones extremas de flexión, corte y torsión, en que su aplicación está dada en un sistema que consiste en:

• Paredes de una torre prefabricadas;

• El postesado de la torre;

• Barras de refuerzo verticales a través de las juntas horizontales;

• Uniones de trabado (shear keys).

Este sistema total debe transferir corte y torsión a través de toda la sección transversal de la junta conformada por las uniones de trabado.

Por lo tanto, se produce un flujo de corte de Bredt a través de las juntas, como en el resto de la torre. En la figura 8 se observa que este diagrama de flujo de corte de Bredt tiene brazos de palanca del tamaño de la sección transversal total. Ofrece mucha más resistencia a la torsión que una juntura agrietada horizontalmente con una grieta suave. En caso de una grieta suave horizontal los brazos de palanca reducen al tamaño del grosor del muro la sección comprimida.

11 DESCRIPCION DE LA MODALIDAD PREFERIDA

El método de la invención consiste en conformar una serie o un conjunto de uniones de trabado (Shear Keys) (1 ) a lo largo de todo el segmento (5) de pared de cada sección que conforma una torre prefabricada de hormigón de cara externa (7) y cara interna (8). Cada unión de trabado (1 ) es rellenada por una lechada (2) que se dispone en cada unión de trabado (1 ) en la cara (11 ). De esta forma, cuando la torre se somete a esfuerzo, se forma una grieta suave (3) con la forma de una unión de trabado (1 ) predefinida. Con esto se logra la grieta suave (3) se abra unos pocos milímetros, es donde la unión de trabado proporcionará una transferencia de corte y torsión mayor. Las junturas horizontales son reforzadas por barras verticales (10) para proveer las fuerzas de tensión para los movimientos de doblado junto al flujo de corte a través de la juntura.

Previo a la etapa de rellenar con lechada la unión de trabado (1 ), se incorpora en la cara opuesta (12) a la cara (11 ) que se rellena con la lechada (2) de los segmentos prefabricados de cada sección de la torre, un material antiadherente (4) que conforma una capa delgada que permite mantener separados y no unidos cada segmento prefabricado. Entonces cuando la lechada (2) es incorporada, sólo se adhiere a una de las caras de los segmentos prefabricados. En esta modalidad preferida el material antiadherente utilizado es aceite. De esta forma, la lechada (2) se adhiere sólo a una de las caras de los segmentos prefabricados. La elección de un material especifico para la capa delgada, o para el agente de liberación entre la lechada y el concreto define la posibilidad de fricción en las

12 caras diagonales de las uniones de trabado. Esto permite al diseñador de la conexión posibilidades para ajustar el comportamiento de la unión.

En la cara externa (7) de cada segmento prefabricado, en la zona donde se encuentra la unión de trabado, se incorpora un sello (9) que impide tanto la salida de lechada (2) cuando es incorporada y la entrada de elementos externos.

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